基于C8051F020的密闭环境温度恒温控制系统设计

来源:现代电子技术 作者:秩名2012年07月26日 16:05
[导读] 本文给出了一种基于C8051F020单片机实现密闭环境温度自动控制的系统方案。将半导体制冷模块置于一个密闭环境,通过C8051F020单片机实现对半导体制冷片的制冷、制热和不同功率运行的

  摘要:给出了一种基于C8051F020单片机实现密闭环境温度自动控制的系统方案。将半导体制冷模块置于一个密闭环境,通过C8051F020单片机实现对半导体制冷片的制冷、制热和不同功率运行的控制,采用独立按键完成温控数据的输入,分别利用DS18B20采集密闭环境温度和实际环境温度,并通过TS1602 LCD完成基本的状态数据和控制实时显示;通过PID算法编程实现密闭环境温度恒温控制。实验结果表明,在按键输入设定温度后,系统能够成功实现密闭环境温度的恒温控制,温度控制精度为±0.2℃。

  关键词:C8051F020单片机;恒温控制;PID算法;密闭环境

  引言

  温度控制广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,近几年,在控制方法上,基于PID的温度控制、模糊控制、神经网络、遗传算法有了快速的发展。本文介绍了一种基于C8051F020单片机的环境温度自动控制设计,利用PID算法,结合温度传感器

  DS18B20、半导体制冷系统、开关电源和继电器控制电路实现密闭环境温度的自动控制。密闭环境温度自动控制系统符合现代电子产品自动化、智能化、模块化、人性化的设计要求,人机界面友好,可移植性好。

  1 整体方案设计

  方案的主要任务是根据用户要求,实现对密闭环境的恒温控制。手动设定密闭环境控制温度后,C8051F020单片机通过DS18B20测得密闭环境温度(被控环境)和实际环境温度,将设定温度和密闭环境温度的差值送入单片机,返回指令控制继电器电路实现半导体制冷系统的加热或者制冷。单片机输出的PWM经IR2110功率放大,控制开关管1RF3808通断,并利用PID算法实时改变单片机的PWM占空比,达到控制开关电源输出电压的目的,从而改变半导体制冷系统工作时的功率。

  2 硬件电路设计

  2.1 硬件总体设计

  整个系统主要由系统电源电路、键盘电路、温度采集电路、LCD显示器、继电器控制电路、开关电源电路、LM2575降压电路、半导体制冷电路和单片机控制电路组成。其中,键盘电路用来输入控制信号;温度采集电路用于实时监测实际环境温度和密闭环境温度;LCD是用来显示用户设定状态信息和温度数据、电流、电压值;开关电源电路用于提供半导体制冷系统的工作电压和电流;LM2575降压电路用于提供单片机电源;半导体制冷电路是控制环境温度的关键。C8051F020单片机是整个控制系统的核心,将各部分连成整体,正常工作。系统总体电路设计框图如图1所示。

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  2.2 半导体制冷电路

  半导体制冷电路由半导体制冷片、散热风扇、导热金属片组成。半导体制冷片是根据珀尔帖效应制作的温差电制冷片,改变供电电压极性,就可以达到制冷或者加热的目的,并且重量轻、体积小,具有相对较高的制冷量。

  2.3 控制电路

  MCU控制电路包括三个部分:独立按键电路、温度采集电路、继电器控制电路和数据显示部分。

  控制信号输入部分主要由独立键盘完成。使用独立键盘,结构清晰,编程简单。两个独立按键:P1^0:设定温度值加1;P1^1:设定温度值减1。继电器控制电路主要由MCU I/O端口P3口控制2个继电器完成,同时断开继电器实现制冷,同时吸合继电器实现制热。以C8051F020的端口P2口作为数据线,与LCD1602进行数据通信并完成状态显示。温度采集电路采用DS18B20电路。Dallas公司的DS18B20 1-wire数字温度传感器使用一根信号线即可实现信号的双向传输,接口简单,便于扩展和维护。

  2.4 开关电源电路

  开关电源采用BUCK拓扑结构,PWM(脉宽调制)控制方式。最大输出电压达到15.3 V,最大输出电流达到2 A,输出电压的纹波小于5mV,整个开关电源效率为75%,满足系统供电要求。由于测量电源电压、电流时采用差分放大电路,PWM波的频率在21 kHz左右,频率较高,造成电压数据采集后转化的AD值与实际的测量值存在一定的偏差,通过程序实现电压补偿。

  2.5 LM2575降压电路和单片机供电电路

  MCU部分电路正常工作需要+5 V和+3.3 V电压供电。将市电220 V/50 Hz通过开关电源部分电路,经过桥堆整流和滤波产生直流电17 V,通过LM2575稳压芯片输出稳定+5 V给LCD1602显示模块和继电器供电,C8051F020和DS18B20由+5 V经过ASM1117-3.3 V供电。

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